José Ricardo Ribeiro Azevedo
Reforço à flexão de lajes de betão armado
com laminados de CFRP pré-esforçados
José Ricardo Ribeiro Azevedo
R efor ço à fle xão de lajes de be tão ar mado com laminados de CFRP pr é-esfor çados
Escola de Engenharia
Dissertação de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Civil
Área de Especialização: Estruturas e Geotecnia
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor José Sena-Cruz
José Ricardo Ribeiro Azevedo
Reforço à flexão de lajes de betão armado
com laminados de CFRP pré-esforçados
“Quatro coisas para o sucesso: Trabalhar e orar, Pensar e acreditar.”
AGRADECIMENTOS
“...What makes us who we are should be glorified, personified and sung unto the stars!”
Muse
Ao longo destes últimos cinco anos, foram necessários empenho, dedicação e perseverança para culminar esta fase importante. No entanto, tal não seria possível sem a contribuição de vários intervenientes, às quais apresento o meu agradecimento:
- Ao Professor Doutor José Sena Cruz, orientador da presente dissertação, por todo o apoio, empenho, críticas, transmissão de conhecimentos perante todos os contratempos que foram surgindo;
- Ao Tiago e ao Luís, pela amizade, pela boa disposição, pela ajuda, pelo conhecimento partilhado ao longo deste período;
- Ao Eng.º Amarílio Barbosa, pela ajuda na realização dos ensaios térmicos;
- À Professora Doutora Sandra Silva, pela ajuda na realização dos ensaios térmicos, pela boa disposição e pelos conhecimentos transmitidos;
- Ao Doutor Bahman, pela amabilidade na disponibilização do software de análise termográfico;
- Ao Sr. António Matos, do Laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Minho, pela ajuda na realização dos ensaios;
Também gostaria de agradecer:
- À Universidade do Minho pelas condições e disponibilização do espaço para o desenvolvimento do programa experimental;
-Este trabalho é apoiado pela FEDER através do Programa Operacional Fatores de Competividade – COMPETE e fundos nacionais, através da FCT – Fundação para a Ciência e Tecnologia sob o projeto FRPreDur - PTDC/ECM-EST/2424/2012.
Reinforcement Company (Switzerland), Tecnipor - Gomes & Taveira Lda., Vialam – Indústrias Metalúrgicas e Metalomecânicas, Lda. e Hilti Portugal - Produtos e Serviços, Lda.
- Aos meus amigos de longa data, um muito obrigada por todo apoio, amizade, carinho e amor incondicional.
-À minha querida família, pela enorme influência na pessoa que sou hoje, nas metas atingidas, e por todos os bons momentos, amizade, carinho apoio e amor, um muito obrigada.
RESUMO
O uso de materiais compósitos reforçados com fibras, fiber reinforcement polymer (FRP) da nomenclatura inglesa, na reabilitação ou reforço de estruturas existentes data a década de 80. Desde então, verificou-se a proliferação da aplicação de materiais compósitos, tais como os materiais compósitos reforçados com fibras de carbono, carbon fiber reinforcement polymer (CFRP), no reforço à flexão de estruturas de betão armado. Associados a estes materiais têm sido propostas técnicas de reforço, tais como, a técnica de colagem externa, Externally Bonded
Reinforcement (EBR), e a técnica de inserção no betão de recobrimento, Near-Surface Mounted
(NSM). É ainda possível combinar a vantagens associadas a sistemas de reforço passivo, através de laminados FRP com os benefícios da tecnologia de pré-esforço externo, resultando diversas vantagens, quer em serviço, quer em situações de colapso.
Relativamente aos sistemas de reforço de pré-esforço externo, as ancoragens desempenham um papel fulcral no comportamento e no desempenho estruturais globais. Ultimamente, dois sistemas de ancoragem despoletaram particular interesse, nomeadamente as ancoragens metálicas, metallic anchorage (MA), e as ancoragens por gradiente, gradient anchorage (GA). Na presente dissertação, os sistemas MA e GA são avaliados e comparados com recurso a lajes de betão armado. De forma a avaliar o desempenho estrutural de ambos os sistemas de ancoragem, foi realizado um estudo, composto por uma parte experimental e uma parte numérica. Em relação à componente procedimento experimental, um conjunto de lajes de betão armado não-reforçadas e lajes de betão armado reforçadas com laminados CFRP (não e pré-esforçados) foram ensaiadas até a rotura em laboratório, através de ensaios monotónicos à flexão de quatro pontos de carga, sob controlo de deslocamento, permitindo a caracterização do seu comportamento estrutural até à rotura. Além disso, a influência da geometria do laminado CFRP e do comprimento da laje também foram avaliados. No que respeita à componente numérica, simulações das lajes foram realizadas por meio do software SECTION, que é um programa de análise a nível da secção transversal.
Outro aspeto crucial na aplicação de laminados CFRP pré-esforçados é o comportamento da aderência entre o laminado e a superfície de betão, sendo influenciadas pelo processo de instalação e durante o seu tempo de vida em serviço. Assim, é importante monitorar a qualidade da aplicação do laminado CFRP. De modo a identificar e quantificar defeitos existentes entre a
superfície do laminado e as superfícies de betão, foi utilizada a metodologia termografia, sendo a aplicabilidade e a precisão do método adotado validado através de ensaios adequados. Finalmente refere-se que todo este trabalho foi desenvolvido no âmbito do projeto FRPreDur (PTDC/ECM-EST/2424/2012).
PALAVRAS-CHAVE Ancoragem metálica Ancoragem por gradiente Estruturas de betão armado
Laminados de CFRP pré-esforçados Reforço à flexão
ABSTRACT
The use of fiber-reinforced polymers (FRP) in rehabilitation or strengthening of existing structures dates the early 80s. Ever since, it is verified the wide spreading of the application of composite materials, such as carbon fiber-reinforced polymers (CFRP), in the flexural strengthening of reinforced concrete structures. Associated with these reinforcement materials, it have been proposed tecniques such as, the Externally Bonded Reinforcement (EBR) or the Near-Surface Mounted (NSM) techniques. It is possible to combine the advantages of the passive FRP systems with the benefits of the external prestressing, resulting several advantages, whether in serviceability and failure regions.
Concerning the external prestressing strengthening systems, the end anchorage plays a major role in the structural behavior and performance of the entire configuration. Lately, two types of anchorages have become particularly interesting, namely the metallic anchorage (MA) system and the gradient anchorage (GA) system.
In the present thesis, the MA and the GA systems are evaluated and compared using slabs. In order to evaluate the structural performance of both end anchorage systems, a study, which is composed by a numerical and experimental parts, was conducted. Regarding the experimental procedure, a set of unstrengthen and strengthen (non prestressed and prestressed) CFRP slabs were loaded up to failure in laboratory, through four-point bending monotonic tests under displacement control, allowing the characterization of their structural behavior in failure region. Additionally, the influence of the cross-section geometry of the CFRP strips and the length of the slabs were also investigated. With respect to the numerical part, simulations of the slabs were carried out by using a computer software named SECTION, which is a cross-section program analysis.
Another crucial aspect in the application of the prestressed CFRP strips is the bond behavior between the laminate and concrete surface, being influenced by the installation process and during its in-service lifetime. Hence, it is important to monitor the bond quality during the application of the CFRP strip. In order to identify and to quantify the existent defects between the laminate and the concrete surfaces, IR thermography methodology was applied, being the applicability and accuracy of the adopted method validated by suitable tests.
KEYWORDS
Flexural strengthening Gradient anchorage Metallic anchorage Prestressed CFRP strips Reinforced concrete structures IR thermography
ÍNDICE GERAL
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1 ENQUADRAMENTO ... 1
1.2 OBJECTIVOS E ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 3
1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 5
CAPÍTULO 2. REFORÇO DE ESTRUTURAS DE BETÃO ARMADO COM FRP: BREVE RESENHA ... 7 2.1 INTRODUÇÃO ... 7 2.1.1 CONSTITUIÇÃO DOS FRP ... 10 2.1.2 MATRIZ POLIMÉRICA ... 12 2.1.3 FIBRAS ... 13 2.1.5 PROCESSO DE PRODUÇÃO ... 17 2.2 ADESIVOS ... 18
2.2.1 PROPRIEDADES DOS ADESIVOS ... 20
2.2.2 CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS ... 21
2.3 REQUISITOS PARA A COLAGEM DO LAMINADO ... 24
2.4 TÉCNICAS DE REFORÇO ... 25
2.4.1 SISTEMA NSM (NEAR-SURFACE MOUNTED) ... 25
2.4.2 SISTEMA EBR (EXTERNALLY BONDED REINFORCEMENT) ... 28
2.4.2.1 COMPORTAMENTO MECÂNICO ... 30
2.4.2.2 MODOS DE ROTURA ... 32
2.5 PRÉ-ESFORÇO ... 34
2.5.1 TÉCNICAS DE APLICAÇÃO DE PRÉ-ESFORÇO ... 35
2.5.1.1 SISTEMA DE IMPOSIÇÃO DE CONTRA-FLECHA ... 35
2.5.1.2 SISTEMA DE PRÉ-TENSÃO ... 36
2.5.4 SISTEMAS DE ANCORAGEM ... 39
2.5.4.2 ANCORAGENS METÁLICAS ... 40
2.5.4.2 ANCORAGEM POR GRADIENTE... 40
2.6 CONCLUSÕES ... 42
CAPÍTULO 3. PROGRAMA EXPERIMENTAL... 45
3.1 PROVETES E CONFIGURAÇÃO DOS ENSAIOS ... 45
3.1.1 CÁLCULO DA ARMADURA NECESSÁRIA ... 46
3.1.2 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS ESTRUTURAIS ... 47
3.1.2.1 BETÃO ... 47
3.1.2.2 AÇO... 51
3.1.2.3 LAMINADO DE CFRP ... 53
3.1.2.4 ADESIVO EPOXY ... 55
3.1.3 PROGRAMA DE ENSAIOS ... 57
3.1.4 INSTRUMENTAÇÃO & CONFIGURAÇÃO DO ENSAIO ... 58
3.2 PROCEDIMENTOS DE APLICAÇÃO DO REFORÇO ... 59
3.3 CONCLUSÕES ... 65
CAPÍTULO 4. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS ... 67
4.1 COMPORTAMENTO À ROTURA ... 67
4.2 LARGURA DE FENDAS ... 74
4.3 ESPAÇAMENTO ENTRE FENDAS ... 75
4.4 CONCLUSÕES ... 76
CAPÍTULO 5. SIMULAÇÕES NUMÉRICAS ... 79
5.1 INTRODUÇÃO... 79
5.2 DESCRIÇÃO DO SOFTWARE ... 79
5.2.1 MODELO NLMM201 ... 81
5.2.3 MODELO NLMM203 ... 85
5.3 RESULTADOS OBTIDOS NAS SIMULAÇÕES ... 88
5.3 CONCLUSÕES ... 92
CAPÍTULO 6. CONTROLO DE QUALIDADE DOS SISTEMAS DE REFORÇO ... 93
6.1 INTRODUÇÃO ... 93
6.2 MÉTODO TERMOGRÁFICO POR INFRAVERMELHOS ... 94
6.2.1 ANÁLISE QUANTITATIVA POR TERMOGRAFIA DE INFRAVERMELHOS ... 96
6.2.2 MÁXIMO CONTRASTE TÉRMICO ... 97
6.2.3. ALGORITMO DE DOIS PONTOS DE INFLEXÃO NA DEFINIÇÃO DOS LIMITES DO DEFEITO ... 99
6.3 VALIDAÇÃO DA METODOLOGIA ... 100
6.3.1 PREPARAÇÃO DOS PROVETES ... 100
6.3.2 PROCEDIMENTO... 101
6.3.2 RESULTADOS DA VALIDAÇÃO ... 102
6.4 ANÁLISE TERMOGRÁFICA EM LAJES REFORÇADAS COM LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS CFRP ... 104
6.5 CONCLUSÃO ... 108
CAPÍTULO 7. CONCLUSÕES FINAIS E FUTUROS DESENVOLVIMENTOS ... 109
7.1 CONCLUSÕES FINAIS ... 109
7.2 FUTURO DESENVOLVIMENTOS ... 111
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1: Organigrama do Projeto FRPreDur... 4 Figura 2.1: Esquema ilustrativo da disposição das fibras no interior da matriz (ISIS 2006) ... 10 Figura 2.2: Relação tensão-deformação das fibras de reforço e da matriz (ISIS 2007) ... 11 Figura 2.3: Comparação de algumas propriedades entre o aço, alumínio e o compósito (Juvandes 2002). ... 11 Figura 2.4: Variação teórica do módulo de elasticidade com o aumento do ângulo relativo à direção principal das fibras (Hutchinson and Hollaway 1999). ... 13 Figura 2.5: a) Classificação das fibras; b) Comportamento à tração de fibras e metais (Juvandes 2002). ... 14 Figura 2.6: a) reforço à flexão de uma laje; b) reforço à flexão de uma viga; c) reforço ao corte e confinamento de um pilar de betão; d) confinamento de um tanque de betão; e) reforço ao corte de uma zona de nó viga/pilar (fib 2001) ... 16 Figura 2.7: (a) processo de fabrico de compósitos CFRP por pultrusão; (b) Aspeto final dos laminados; (c) Disposição dos materiais constituintes dos laminados; (d) laminados armazenados em rolos. (Firmo 2010) ... 18 Figura 2.8 Comparação de tensão vs. extensão de diferentes tipos de epóxi (Hutchinson and Hollaway 1999) ... 22 Figura 2.9 Influência da transição vítrea (a) no volume; (b) na rigidez (Hutchinson and Hollaway 1999) ... 22 Figura 2.10- a) Influência do aumento de temperatura na resistência ao corte de colas epoxídicas com e sem a presença de humidade; b) influência da presença de humidade na resistência ao corte de uma cola epoxídica a uma temperatura constante de 20º C; c) influência da presença de humidade na resistência à tração em colas epoxídicas (Hutchinson and Hollaway 1999) .. 23 Figura 2.11 Técnicas de reforço com recurso a laminados de carbono (CFRP) (J. Sena-Cruz 2011) ... 25 Figura 2.12: Esquema do sistema de aplicação do reforço de acordo com a técnica NSM (Sena-Cruz, 2002) ... 26 Figura 2.13: Procedimento de aplicação de reforço de acordo com o sistema NSM (Almeida 2013) ... 27 Figura 2.14 (a) Pormenor de aplicação de Laminados; (b) Reforço por adição de laminados (Carvalho 2010). ... 29
Figura 2.15: Diagrama multilinear carga-deslocamento central de vigas reforçadas à flexão com laminados de CFRP (Firmo 2010). ... 30 Figura 2.16: Diagramas momento-curvatura a meio vão de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP (Firmo, 2010). ... 31 Figura 2.17: evolução do destacamento do laminado numa viga reforçada típica (Hutchinson and Hollaway 1999). ... 32 Figura 2.18: Possíveis modos de rotura em elementos de BA reforçados com laminados CFRP (Juvandes 2002). ... 34 Figura 2.19: Exemplo de aplicação do sistema de pré-esforço por indução de uma contra-flecha. (a) Aplicação de uma força vertical de baixo para cima, através de macacos hidráulicos; (b) Posicionamento e colagem dos laminados; (c) Remoção dos macacos hidráulicos (R El-Hacha, Wight, and Green 2001). ... 36 Figura 2.20: Aplicação de pré-esforço ao laminado por um equipamento independente à viga. a) Amarração e tração do laminado no aparelho de pré-esforço. b) Colagem do laminado tracionado. Cura da cola epoxídica. c) Corte do laminado nas ancoragens e transferência do esforço ao compósito (R El-Hacha, Wight, and Green 2001). ... 37 Figura 2.21: Aplicação de pré-esforço ao FRP pelo sistema de pós-tensão. Realização de uma ancoragem e aplicação de tensão ao laminado (R El-Hacha, Wight, and Green 2001). ... 37 Figura 2.22 a) sistema EBR pré esforçado com ancoragem metálica; b) sistema pré esforçado com ancoragem por gradiente de esforços (Michels, Martinelli, et al. 2014)... 40 Figura 2.23: (a) Representação esquemática da ancoragem por gradiente; (b) Forças transferidas nos diferentes segmentos de gradiente (Michels, Sena-Cruz, et al. 2013). ... 42 Figura 3.1: Geometria da secção transversal ... 45 Figura 3.2: Geometria e configuração de ensaio: a) secção transversal; b) secção longitudinal. ... 46 Figura 3.3: a) Aspeto geral da prensa; b) pormenor de um provete cilíndrico antes do ensaio; c) pormenor de um provete cilíndrico após rotura. ... 47 Figura 3.4: Relação tensão-extensão para um carregamento de compressão uniaxial de curto prazo de um provete de betão. ... 48 Figura 3.5: comportamento do betão ao longo do ensaio de compressão uniaxial correspondente às diferentes betonagens; a) betonagem realizada no dia 16/07/2013; b) betonagem realizada no dia 18/07/2013; c) betonagem realizada no dia 24/07/2013; d) betonagem realizada no dia 30/07/2013. ... 50
Figura 3.6: a)Aspeto geral dos ensaios de caracterização do aço; b) e pormenor do ensaio de
tração ... 51
Figura 3.7: Relação tensão-deformação dos provetes de aço de Ø6 ... 52
Figura 3.8: Relação tensão-extensão dos provetes de aço de Ø8 ... 52
Figura 3.9: esquema de ensaio de caracterização dos laminados (Michels, Sena-Cruz, et al. 2013) ... 53
Figura 3.10: a) ensaio à tração do provete CFRP; b) aspeto dos provetes após rotura ... 54
Figura 3.11: Relação tensão-deformação do ensaio de 2 provetes para cada um dos diferentes laminados utilizados no âmbito do programa experimental. ... 55
Figura 3.12: Forma dos provetes de ensaio preconizado na norma de caracterização. ... 56
Figura 3.13: Ensaio de tração pura de um provete de epóxi. ... 56
Figura 3.14: a) Configuração do ensaio laje 2600; b) esquema de montagem do ensaio ... 59
Figura 3.15: Procedimentos de aplicação do sistema MA (Teixeira, Correia, et al. 2014) ... 62
Figura 3.16: Procedimentos de aplicação do sistema GA (Teixeira, Correia, et al. 2014) ... 63
Figura 3.17: Evolução da temperatura e da força instalada no laminado de CFRP para o caso do método do gradiente (GA): (a) SL501.4_GA; (b) SL801.2_GA (Teixeira, Correia, et al. 2014). ... 64
Figura 4.1: Relação entre a carga total e o deslocamento a meio vão das lajes 2600 ... 68
Figura 4.2: Relação entre a carga total e o deslocamento a meio vão das lajes 2200 ... 69
Figura 4.3: Carga aplicada versus extensão do CFRP ... 72
Figura 4.4: Momento fletor versus curvatura ... 73
Figura 4.5: (a) Força vs. Largura de fendas; (b) Medição microscópica de uma fenda (Teixeira, Luís, et al. 2014) ... 75
Figura 4.6: Padrão de fendilhação (a) SL80x1.4_EBR; (b) SL80x1.4_MA; (c) SL80x1.4_GA ... 76
Figura 4.7: Espaçamento entre fendas nas lajes ensaiadas (Teixeira, Luís, et al. 2014) ... 76
Figura 5.1: Modelo do SECTION (J. Sena-Cruz 2013) ... 80
Figura 5.2: Modelo Constitutivo uniaxial dos varões (J. Sena-Cruz 2013) ... 81
Figura 5.3: gráfico tensão vs. Deformação do ensaio de tração direta dos varões com diferente espessura. ... 82
Figura 5.4: Resposta tensão-extensão de uma amostra de betão sujeita a um carregamento de compressão uniaxial (J. Sena-Cruz 2013). ... 83
Figura 5.6: Resposta tensão-deslocamento de uma amostra de betão sujeita a um carregamento de tração uniaxial (J. Sena-Cruz 2013). ... 86 Figura 5.7: Proposta do CEB-FIP (2010) para simular a tração uniaxial do betão usando um diagrama multi-linear (J. Sena-Cruz 2013). ... 87 Figura 5.8: Diagrama multi-linear utilizado no modelo NLMM203 ... 88 Figura 5.9: Secção transversal discretizada nos diferentes elementos finitos. ... 88 Figura 5.10: Resultados experimentais versus simulações numéricas para a laje STR em função do fctm. ... 89 Figura 5.11: Gráficos comparativos da simulação numérica com a resposta experimental de todas as lajes com 2.6 metros de comprimento. ... 91 Figura 6.1: Diferentes métodos de observação das variações de temperatura através da técnica termográfica por infravermelhos ativa: a) método de observação por reflexão; b) método de observação por transmissão (Maldague, Largouët & Couturier, 1998) ... 96 Figura 6.2: Variação de intensidade de dois pixéis, sendo um representativo de uma zona defeituosa e o outro de uma zona sem defeito (W L Lai et al. 2010) ... 98 Figura 6.3: Variação de intensidade de um pixel ao longo do comprimento de um respetivo defeito... 99 Figura 6.4: preparação dos provetes para validação dos resultados obtidos. a) Aplicação dos defeitos artificiais na superfície do Betão e Laminado; b) Preparação do epóxi; c) aplicação do epóxi às superfícies a aderir; d) Colocação do laminado na superfície do betão. ... 101 Figura 6.5: Aplicação de energia térmica ao provete. ... 102 Figura 6.6: Processo de obtenção dos vídeos térmicos dentro de uma caixa envolvente. ... 102 Figura 6.7: Análise da temperatura ao longo do tempo; a) Variação ao longo do tempo dos diferentes defeitos e área não defeituosa; b) zona de análise do defeito de diâmetro de 50 mm ... 103 Figura 6.8: a) Fotografia digital do local da imagem termográfica; b) Imagem termográfica ... 105 Figura 6.9: Variação térmica ao longo de diferentes perfis; a) perfil vertical; b) perfil horizontal ... 106 Figura 6.10: Zonas de identificação da localização dos potenciais defeito ... 106 Figura 7.1: Programa de ensaios da presente dissertação. Entre parêntesis é apresentado o número de lajes ensaiadas de acordo com o comprimento e a técnica de reforço aplicada. .. 109
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1- Caraterísticas principais das fibras (Juvandes 2002). ... 14
Tabela 2.2: Comparação das propriedades típicas dos adesivos epoxi, betão e aço macio.(fib 2001) ... 21
Tabela 2.3: Características dos sistemas de pré-esforço com FRP para aplicação in situ (R El-Hacha, Wight, and Green 2001). ... 38
Tabela 3.2: Resultados dos ensaios de caracterização das armaduras ... 51
Tabela 3.3: Resultado das propriedades dos laminados CFRP obtidas na caracterização ... 55
Tabela 3.4: Resultados dos ensaios de caracterização do adesivo epoxídico ... 57
Tabela 3.5: Programa experimental realizado ... 58
Tabela 4.1: Resumo campanha experimental das lajes da série 2600 ... 67
Tabela 4.2: Resumo campanha experimental das lajes da série S2200 ... 68
Tabela 4.3: Variação da rigidez entre as diferentes fases exibidas pelas lajes com comprimento 2600 ... 70
Tabela 4.4: Variação da rigidez entre as diferentes fases exibidas pelas lajes com comprimento 2200 ... 71
Tabela 5.1– Modelos não lineares de materiais (J. Sena-Cruz 2013). ... 81
Tabela 5.2: Comportamento aço ø6 e ø8 ... 82
Tabela 5.3: Valores dos parâmetros utilizados nas simulações numéricas ... 89
Tabela 5.4: Comparação dos valores de tensão entre as simulações com diferentes valores resistência à tração ... 90
Tabela 5.5: Comparação dos principais valores de tensão observados entre os dados experimentais e os dados simulados ... 91
Tabela 6.1: Identificação dos contrastes máximos e correspondentes instantes de tempo... 103
Tabela 6.2: Diâmetros obtidos para cada defeito ... 104
CAPÍTULO
1
INTRODUÇÃO
1.1 ENQUADRAMENTO
Cada vez mais existe uma necessidade de aumento de consciencialização face à forma como utilizamos os recursos que o nosso planeta nos oferece. Assim, é de extrema importância potenciar esta ideologia, assegurando uma construção mais sustentável e uma redução dos impactos de novas construções. Neste contexto verifica-se que a reabilitação tem aumentado gradualmente, tendo sido desenvolvidas varias tecnologias que asseguram segurança, conforto e estética, requisitos de qualquer edificado ao longo do seu tempo de vida útil. A nível nacional a reabilitação urbana tem vindo a ganhar crescente expressão, destacam-se os investimentos realizados em cidades históricas nomeadamente, Porto, Guimarães e Lisboa.
Em Portugal “verificou-se nas últimas décadas um dos maiores surtos de construção a
nível europeu, o que resultou em cerca de 5 milhões de casas construídas das quais pouco mais de 3,5 milhões se encontram habitadas” (Cóias 2007). O excesso de construção conduziu à
existência de um conjunto de edifícios cujo ciclo de vida está ultrapassado, sendo que muitas destas já não apresentam as condições necessárias à sua habitação e, muito provavelmente, acabarão por ser demolidas sem nunca terem sido utilizadas. Consequentemente, e aliada à crise económica que o país atravessa, a construção encontra-se estagnada. Por um lado, não há necessidade de nova construção para habitação, uma vez que as pessoas não acedem a créditos, o que impossibilita a troca de casa, por necessidades, ou familiares (aumento de família) ou de espaço requerido. Por outro lado, a construção de obras públicas, é muito escassa ou inexistente.
Em suma, a nova construção é mínima, impulsionando a reabilitação de edifícios existentes, que devido à deterioração durante a sua utilização e às intempéries, necessitam de manutenção e de beneficiação. Deste modo, é imperativo adotar medidas de reabilitação, disponibilizando-se fundos para o desenvolvimento de novas metodologias.
No domínio da reabilitação de edifícios, é necessário garantir que o edifício em análise verifique os requisitos apresentados pela regulamentação atual, garantindo o bom funcionamento estrutural, quer a nível de utilização, como de capacidade resistente.
sismos, entre outros), a existência de erros de execução durante a fase de construção, o cumprimento das estruturas antigas face aos objetivos requeridos pelas normas em vigor, assim como um deficiente comportamento em serviço, são alguns dos fatores que têm motivado o reforço de estruturas de betão armado (BA) (Ali et al. 2014; Neale, 2000).
O reforço estrutural através da utilização de polímeros reforçados com fibras, fiber
reinforced polymers, segundo a nomenclatura inglesa (FRP’s), tem ganho uma enorme
popularidade nas últimas décadas muito devido ao facto de ser uma alternativa eficiente, leve e não corrosiva face a outros métodos de reabilitação (J. Sena-Cruz et al. 2010).
No domínio do reforço estrutural à flexão uma técnica destaca-se por ser normalmente a mais utilizada: a técnica External bonded reinforcement (EBR) consiste na colagem do reforço na forma de laminado ou manta à superfície tracionada da estrutura a ser reforçada. Normalmente, adesivos epoxídicos são usados como elemento de ligação entre o reforço e o substrato. Dentro de muitos materiais FRP comercializados, os materiais compósitos em carbono (CFRP) são os mais utilizados no reforço de estruturas de BA, uma vez que apresentam densidade baixa, boa resistência à fadiga, baixa suscetibilidade aos agentes agressivos ambientais, alta rigidez e alta resistência de tensão (CEB, 1997). Por outro lado têm a desvantagem de ter um custo muito elevado. Não obstante a isso a maioria das soluções, acaba por ser a opção mais viável a nível económico uma vez que os custos de mão-de-obra podem ser drasticamente reduzidos (Neale, 2000).
Segundo Silva (2008), investigações, observações e acompanhamento das aplicações práticas dos FRP, nomeadamente pela técnica EBR, possibilitaram a sistematização de modelos de dimensionamento, critérios de verificação de segurança e procedimentos de execução e controlo de qualidade.
Vários estudos realizados demonstraram que a carga última das estruturas reforçadas acontecia depois de ocorrer descolagem do laminado da superfície de betão, não se tirando total partido das capacidades resistentes destes materiais. Visto isto, Motavalli et al. (2011) concluíram que a capacidade resistente elevada característica destes materiais, não estava a ser explorada, uma vez que apenas 20 a 30% da capacidade do material estava a ser utilizada.
De forma a conseguir explorar de forma eficiente as elevadas capacidades resistentes deste tipo de materiais, em determinadas aplicações têm vindo a ser utilizados no reforço de estruturas de BA, laminados pré esforçados. Estas combinam os benefícios dos sistemas com laminados FRP colados passivamente, com as vantagens associadas ao pré-esforço exterior.
Aplicando pré-esforço ao laminado, tira-se um maior partido da sua resistência à tração, conseguindo-se vantagens como, a redução da deflexão, dos efeitos das cargas permanentes, da largura das fendas, a retardação do início da fendilhação assim como um alívio de tensão nas armaduras, o aumento da resistência à fadiga, o aumento da eficiência dos materiais utilizados (betão, aço, FRP), a inibição do descolamento prematuro, o incremento da carga de colapso, aumento da resistência ao corte, entre outras (El-Hacha et al., 2001; Michels et al., 2013). Isto verifica-se devido à tensão axial imposta ao nível do laminado resultado do pré-esforço aplicado.
O sistema de ancoragem aplicado nas extremidades do compósito desempenha um papel fundamental no desempenho de todo o sistema de reforço pré-esforçado. As tensões de corte desenvolvidas no interface betão / FRP nas extremidades é um problema associado ao uso de técnicas de pré-esforço (Kotynia et al., 2011). A solução é conseguida através de sistemas apropriados de ancoragem. Apesar de existirem vários sistemas de ancoragem disponíveis no mercado (Michels et al, 2013), apenas dois sistemas da S & P Clever Reinforcement têm vindo a ser usados de forma mais recorrente: o sistema Mechanical Anchorage (MA) e o sistema
Gradient Anchorage (GA).
1.2 OBJECTIVOS E ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
A aplicação de compósitos na construção tem vindo a mostrar diversas qualidades que os têm tornado em materiais de eleição no reforço e reparação de estruturas de BA.
O aproveitamento de todas as capacidades destes materiais têm sido o grande desafio que tem levado ao desenvolvimento de novas técnicas de reforço com compósitos. A presente dissertação foi desenvolvida de forma a dar um contributo no conhecimento destas novas técnicas e está inserida no projeto de investigação FRPreDur (PTDC/ECM-EST/2424/2012), cujo organigrama se apresenta na Figura 1.1.
Figura 1.1: Organigrama do Projeto FRPreDur
O programa experimental visa o estudo de lajes de BA reforçadas à flexão com laminados de CFRP pré-esforçados submetidas a um envelhecimento acelerado, com diferentes efeitos de carregamento (fluência) e ações ambientais (humidade, ação térmica, cloretos). O projeto engloba duas partes em estudo, os resultados obtidos experimentalmente e os resultados obtidos numericamente através de simulações dos resultados obtidos experimentalmente, de forma a se prever o tempo de vida útil de estruturas reforçadas de acordo com a técnica EBR. De forma a se poder analisar o efeito dos diferentes agentes ambientais nas lajes envelhecidas foi necessário desenvolver um programa de ensaios constituído por lajes com as mesmas características. De modo a determinar a configuração de reforço adequada foi realizado um programa de ensaios preliminar, que se encontra inserido no âmbito da presente dissertação.
Assim, os principais objetivos da presente dissertação são os seguintes:
- Investigar dois sistemas comerciais de ancoragem de laminados pré-esforçados da S&P Clever Reinforcement: o sistema de ancoragem metálica (MA) com elementos metálicos fixos na extremidade do FRP e o método do gradiente (GA) que utiliza um sistema de cura acelerada do epóxi;
- Avaliar o comportamento dos sistemas MA e GA em condições de serviço e à rotura; Programa Experimental
Resultados e análise
Recomendações de projeto
Carregamento Ação ambiental
L aj es ( escala rea l) Ação química Fluência Humidade Ciclos de gelo/degelo; molhagem/secagem Ciclos térmicos Cloretos Si m u laçõ es n u m ér icas
- Adicionalmente, investigar a influência da geometria do laminado e do tipo de técnica de reforço (pré-esforçado e não-pré-esforçado);
- Simular numericamente os ensaios de rotura comparando os resultados obtidos experimentalmente com os obtidos numericamente;
- Avaliar a qualidade do reforço aplicado por intermédio de ensaios de controlo de qualidade.
1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
No Capítulo 1 é feito um enquadramento do tema da dissertação e são apresentados objetivos da presente dissertação.
No Capítulo 2 apresenta-se uma pesquisa bibliográfica caracterizando os principais constituintes de compósito FRP, bem como a comparação, as principais técnicas de reforço. É apresentado uma análise do comportamento mecânico de vigas reforçadas à flexão com CFRP, descrevendo os principais modos de ruína presentes neste tipo de reforço. O capítulo é finalizado com a apresentação de sistemas de reforço com laminados pré esforçados bem como a descrição de diferentes métodos de aplicação. São ainda introduzidos os dois métodos de ancoragem (necessários a sistemas pré-esforçados).
No Capítulo 3 apresentam-se os materiais usados e suas características, bem como a geometria das lajes utilizadas, a metodologia de reforço das lajes com CFRP’s pré-esforçados e o programa de ensaios experimentais realizado.
No Capítulo 4 são apresentados e analisados os resultados experimentais dos ensaios à rotura das lajes presentes no programa de ensaios.
No Capítulo 5 são realizadas várias simulações numéricas de modo a simular o comportamento experimental das lajes nos ensaios de rotura. Para tal foi utilizado o programa SECTION. Seguidamente, é analisada a qualidade das simulações efetuadas através da comparação destes resultados numéricos com os resultados experimentais.
No capítulo 6 foram efetuados ensaios termográficos num conjunto de lajes, de forma a verificar a qualidade da ligação do reforço. É apresentado também a devida validação dos dados obtidos através da análise de provetes com defeitos artificialmente embebidos.
No Capítulo 7 são apresentadas as conclusões gerais do trabalho e propostas de trabalhos futuros.
CAPÍTULO
2
REFORÇO DE ESTRUTURAS DE BETÃO ARMADO COM FRP: BREVE
RESENHA
2.1 INTRODUÇÃO
No contexto do reforço de estruturas, a primeira fase passa pela escolha de uma solução, de entre várias existentes, sendo a solução escolhida dependente de uma avaliação económica de todas as alternativas possíveis. Esta avaliação consiste numa estimativa dos custos totais que inclui, também os custos ao longo de toda a sua vida de utilização. Os custos totais envolvem, assim, os custos associados à futura manutenção, bem como todos os custos que resultam dos trabalhos a serem realizados, diretos e indiretos, como por exemplo, custos sociais (isolamento de uma população, corte de vias de acesso) e custos económicos (paragem de produção de uma industria), (Hutchinson and Hollaway 1999).
Na reabilitação estrutural, a utilização de compósitos FRP no reforço estrutural à flexão é normalmente comparada com a colagem de chapas de aço, uma vez que ambas as técnicas têm várias características em comum (Bakis et al. 2002; You et al., 2012). No entanto devido à versatilidade que os FRP oferecem, este não deve ser encarado como um simples melhoramento face ao reforço com recurso às chapas de aço (a nível de redução de peso, de aumento de rigidez, de aumento de carga de colapso/momento resistente ultimo), uma vez que novas soluções se tornaram possíveis com o aparecimento dos compósitos, nomeadamente técnicas que permitem a aplicação de pré-esforço (Meier, 1995). As vantagens associadas à utilização dos compósitos FRP são as seguintes (Hutchinson and Hollaway, 1999):
- Resistência: os compósitos FRP podem ser constituídos com diversos componentes. Por conseguinte existe uma ampla gama de possíveis constituintes para um propósito particular, podendo variar no tipo e na proporção da fibra escolhida. Assim, a sua capacidade resistente máxima varia, sendo improvável que a capacidade máxima do laminado seja inferior a três vezes a capacidade máxima verificada no reforço com chapas de aço de igual secção transversal.
- Peso: a densidade dos compósitos é apenas cerca de 20% da densidade do aço. O peso com recurso a reforço por compósito pode ser menos de 10% do peso de um reforço com recurso a chapas de aço com a mesma capacidade resistente devido ao facto de o aço ter uma tensão de
cedência entre os 400 e os 500 MPa e os compósitos de carbono apresentarem uma tensão de rotura superiores a 3000 MPa. Para além dos custos de transporte, a maior redução de custos verifica-se na própria instalação, uma vez que não é necessário sistemas de suporte para mover e fixar os laminados durante a sua instalação (Wight, Green, and Erki 2001). O adesivo por si só oferece suporte ao laminado até que este (o adesivo) esteja totalmente curado. Por outro lado, a aplicação do reforço convencional com chapas de aço envolve elevados custos de mão-de-obra.
- Transporte: o peso dos compósitos é bastante reduzido. Um laminado com um comprimento de 20m pode ser transportado por apenas uma pessoa. Outro aspeto bastante interessante, é que alguns laminados podem ser curvados e dispostos numa bobine com apenas 1.5m de diâmetro, facilitando o seu transporte em qualquer tipo de veículo sem a necessidade da utilização de transportes de grande porte como camiões. A sua flexibilidade possibilita ainda o reforço de certas estruturas em sítios mais confinados.
- Versatilidade de design: o comprimento das chapas de aço é limitado, devido ao seu peso e dificuldades de manuseamento. A soldagem in situ não é possível devido ao dano provocado aos adesivos, havendo por isso necessidade da fixação de chapas adjacentes. Os laminados FRP apresentam-se como uma boa solução para este problema uma vez que têm um comprimento “ilimitado”, podem ser fixados em camadas até se atingir o nível de reforço desejado e o facto de terem uma espessura tão reduzida que possibilita a sua fixação em mais do que uma direção, variando apenas a espessura do adesivo.
- Redução do material de fixação: os laminados FRP são consideravelmente mais finos do que as chapas de aço com capacidade resistente equivalente. A espessura global de todo o esquema de reforço é assim diminuída, resultando numa melhoria estética considerável.
- Durabilidade: no reforço com chapas de aço há a possibilidade de ocorrência de corrosão na face colada à estrutura de BA (desde que a face exposta-não colada- seja protegida da corrosão), particularmente se a face de betão apresentar fendas ou estiver contaminada com cloretos, comprometendo a aderência a longo prazo. Este tipo de deterioração não se verifica nos compósitos.
- Maior resistência ao fogo: os laminados FRP são fracos condutores de calor comparativamente com o aço, reduzindo assim os efeitos nefastos do fogo.
- Redução do dano causado pelo efeito gelo/degelo: existe um risco teórico de haver a presença de água na face interna do reforço que é anulado se este for devidamente instalado. Na prática e até agora foi verificado que não é verdadeiramente um problema, no entanto se realmente se verificar a presença de água nestas camadas as propriedades isolantes dos materiais compósitos reduziriam o risco de destacamento do betão devido à ação gelo/degelo. Refira-se que ainda que a perda de aderência no caso dos compósitos é facilmente detetada através de análises térmicas com infravermelhos, uma vez que apresentam um comportamento térmico distinto quando comparado com as zonas perfeitamente aderidas. No reforço com chapas de aço tal análise não seria possível, o que dificultaria a deteção de zonas sem aderência.
- Manutenção do sistema de reforço: o reforço metálico necessita de manutenção, que se pode traduzir em custos devido a interrupções de trânsito (em obras de reforço em viadutos, por exemplo), custos derivados ao difícil acesso do reforço, bem como elevados custos de mão-de-obra. Os laminados FRP já não necessitam de tais manutenções (exceto em caso de acidente) reduzindo assim os custos totais da aplicação do reforço em relação aos custos iniciais.
- Reduzido tempo de aplicação: muitas das vantagens práticas acima descritas possibilitam que os laminados FRP sejam aplicados num período de tempo bastante diminuto quando comparado com o reforço através das chapas de aço. Assim como a redução dos custos contratuais, os custos associados a atrasos de trânsito ou perdas de produção são também minimizados, quando se toma como por exemplo o reforço de uma ponte rodoviária.
- Capacidade de aplicação de pré-esforço: a capacidade o uso de pré-esforço nos compósitos possibilita uma vasta gama de aplicações. Assim, o reforço longitudinal por FRP pré-esforçados possibilita um melhor comportamento estrutural traduzido em termos de resistência a esforços de corte e de flexão. Além disso a formação de fendas é mitigada otimizando assim o estado limite de serviço de fissuração.(Meier, 1996)
Apesar das imensas vantagens que os FRP apresentam, também existem potenciais desvantagens que de seguida se enumeram (Hutchinson and Hollaway 1999):
- Custo: os compósitos apresentam um custo mais elevado que as chapas de aço de equivalente capacidade de carga. No entanto, é provável que a diferença entre os dois materiais venha a ser reduzida com o aumento de produção de compósitos devido ao aumento de produtores (Meier, 1996). A comparação económica entre sistemas alternativos de reforço é baseada não só nos custos do material, mas também em todos os custos associados à aplicação do mesmo. Por
conseguinte, conclui-se que as soluções de reforço através de compósitos FRP são as mais económicas.
- Danos: os laminados FRP são muito mais suscetíveis a serem danificados que os reforços metálicos. Nas zonas mais vulneráveis com acesso público o risco pode ser diminuído, através da aplicação de uma proteção rígida envolvente ao laminado. Felizmente, caso o laminado for danificado é possível ser facilmente reparado, situação que não se verifica no reforço através de chapas de aço. Estas podem descolar ao longo de uma grande área, o que significa que todo o sistema necessita de ser substituído. Pelo contrário o dano provocado nos compósitos é mais provável que seja local, uma vez que tem uma espessura muito reduzida e é consideravelmente mais flexível. A solução requer a remoção da parte danificada e posteriormente a colagem de uma nova camada de laminado com espessura apropriada.
2.1.1 CONSTITUIÇÃO DOS FRP
Os FRP são constituídos por dois materiais: (i) a matriz polimérica e (ii) as fibras. Estas últimas apresentam grande resistência e elevado módulo de elasticidade. A matriz tem características sinergéticas e apresenta um comportamento muito dúctil. A matriz tem ainda a finalidade de envolver por completo as fibras e assegurar uma boa transferência de tensões entre todo o sistema (Balaguru et al. 2008). Na Figura 2.1. e Figura 2.2, representa-se a relação entre as tensões e as deformações para os dois materiais e é possível comprovar as suas diferenças em termos de rigidez, resistência e ductilidade.
Figura 2.2: Relação tensão-deformação das fibras de reforço e da matriz (ISIS 2007)
Conjugando estes dois materiais obtemos a família dos Fiber Reinforced Polymers (FRP) que apresentam excelentes propriedades mecânicas e físicas comparativamente a outros materiais convencionais, tais como o aço e o alumínio (Juvandes 2002). A comparação destas
características encontra-se representada na Figura 2.3.
Figura 2.3: Comparação de algumas propriedades entre o aço, alumínio e o compósito (Juvandes 2002).
Estes materiais têm beneficiado de uma certa popularidade, uma vez que apresentam elevada resistência e rigidez, baixo peso específico, excelente resistência à agressividade ambiental, assim como a possibilidade em admitir propriedades direcionais a nível estrutural, elétrico e magnético variáveis de acordo com a conveniência (Juvandes 2002).
2.1.2 MATRIZ POLIMÉRICA
Apesar de as fibras serem as principais responsáveis pela resposta do compósito às solicitações mecânicas, a matriz polimérica, desempenha funções igualmente importantes, nomeadamente (Firmo 2010; Hutchinson and Hollaway 1999):
- Aglutinar as fibras em conjunto;
- Proteger as fibras da abrasão e das agressões ambientais; - Transferir esforços entre fibras;
- Ser quimicamente, termicamente e mecanicamente compatível com as fibras;
- As propriedades da matriz controlam as propriedades transversais no caso de compósitos unidirecionais.
A matriz tem uma grande influência nas propriedades mecânicas do compósito. A seleção da matriz deve ser criteriosa e devidamente analisada face às suas características físicas e químicas. Salienta-se que a matriz deve apresentar uma baixa densidade e, sempre que possível, menor que a da fibra utilizada, reduzindo assim o peso geral do compósito (fib 2001; ISIS 2006).
Tipicamente, as resinas utilizadas com fibras de reforço de alta performance são as resinas de poliésteres, de vinil e de epóxi (Hutchinson and Hollaway 1999). Os poliésteres apresentam um baixo custo de produção, baixa viscosidade, baixo tempo de cura e facilidade de aplicação fazendo com que sejam os polímeros mais utilizados na produção de componentes FRP (Rodrigues 2009). As resinas de vinil apresentam inúmeras qualidades como resistência aos ácidos fortes e alcalis, reduzida absorção de humidade e retração quando comparada com os poliésteres, baixa viscosidade e baixo tempo de cura. Além disso apresentam também um custo pouco superior ao dos poliésteres, uma retração volumétrica entre 5-10% e uma capacidade resistente media comparativamente as resinas epóxi (Rodrigues 2009). Os epóxis apresentam normalmente propriedades mecânicas superiores quando comparada com as outras resinas apresentadas. Possuem uma durabilidade notória, boa capacidade de cura à temperatura ambiente, alta resistência a esforços de corte, boa estabilidade dimensional, apresentam boas características quando sujeito a temperaturas altas e elevada resistência a produtos químicos (exceto a ácidos). Tem como desvantagens um custo consideravelmente superior ao das outras resinas e o facto de terem um tempo de cura longo (fib, 2001).
2.1.3 FIBRAS
As fibras são responsáveis pela resposta mecânica do reforço face às solicitações. Tal facto é devido à propriedade mais importante das fibras, o seu módulo de elasticidade. Estas devem apresentar uma rigidez significativamente superior à da matriz, para que suportem a maioria da tensão atuante proveniente dos esforços solicitantes (Balaguru et al. 2008; Hutchinson and Hollaway 1999). Dependendo da solução de reforço a definir terá de haver uma seleção prévia do tipo de fibra a utilizar, e respetivos níveis de concentração, comprimento e
do modo de disposição na própria matriz. Pela análise da Figura 2.4, na direção principal das
fibras (direção longitudinal), a resistência à tração e o respetivo módulo de elasticidade são máximos, diminuindo o seu valor com o afastamento do ângulo em análise. As fibras têm a vantagem de exibirem um comportamento perfeitamente elástico até à rotura sem patamar de cedência e deformação plástica caracteristicas do aço, (Hutchinson and Hollaway 1999).
Figura 2.4: Variação teórica do módulo de elasticidade com o aumento do ângulo relativo à direção principal das fibras (Hutchinson and Hollaway 1999).
As principais fibras utilizadas no reforço estrutural são o vidro (G da nomenclatura inglesa
glass), o carbono (C da nomenclatura inglesa carbon), a poliamida aromática (aramida (A da
nomenclatura inglesa aramid) e o Kevlar (K da nomenclatura inglesa kevlar). Mais recentemente têm vindo a ser utilizadas fibras de basaltos (B da nomenculatura inglesa basalt).
A Figura 2.5 mostra uma comparação de comportamento entre todos os compósitos acima
enumerados.
Os compósitos FRP provêm da junção de fibras de reforço com a matriz (resina termoendurecivel) e também com materiais de enchimento (designados também por “fillers”).
GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer); CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer); AFRP (Aramid Fiber Reinforced Polymer).
a) b)
Figura 2.5: a) Classificação das fibras; b) Comportamento à tração de fibras e metais (Juvandes 2002).
A Tabela 2.1 apresenta os valores dos principais parâmetros dos principais compósitos retirados na indústria da reabilitação estrutural.
Tabela 2.1- Caraterísticas principais das fibras (Juvandes 2002).
Tipo de fibras Resistência Tração (MPa) Módulo Elasticidade (GPa) Alongamento último (%) Peso Específico Carbono (C) Elevada resistência 3430-4900 230-240 1.5-2.1 1.8 Elevado módulo Elasticidade 2940-4600 392-640 0.45-1.2 1.8-2.1 Aramida (A) Elevado módulo Elasticidade 2900 111 2.4 1.45 Elevada resistência 3500 74 4.6 1.39 Vidro (G) Vidro-E 3500 74 4.7 2.6
Os compósitos obtidos pela junção das fibras de carbono (C) e da matriz polimérica dependem essencialmente do material constituinte, do teor das fibras principais de reforço e sua disposição, do processo de fabrico e da interação dos materiais constituintes (Hutchinson and Hollaway 1999).
Os compósitos com fibras de carbono, aramida e vidro podem ser aplicados em reforços estruturais. Nas últimas décadas, verificou-se um aumento na utilização de fibras de vidro, devido ao facto de ser a fibra mais produzida e por conseguinte a mais económica. No entanto, é um material que apresenta problemas de durabilidade especialmente quando aplicado em estruturas de BA.
As fibras de carbono, apesar de serem menos económicas, apresentam determinadas vantagens que outros tipos de fibras não possuem, tais como, o facto de admitirem contacto direto com superfícies de betão, maior módulo de elasticidade e resistência, assim como maior resistência à humidade, a solventes, a soluções básicas e ácidos fracos (Balaguru et al. 2008).
Quando comparado com os outros compósitos, os compósitos à base de carbono (CFRP) apresentam maior resistência à tração e à compressão e maior módulo de elasticidade longitudinal, por exemplo, laminados fabricados com fibras de vidro têm de ser três vezes mais espessos que um laminado de carbono para conseguir igualar o nível de resistência e rigidez. Apresentam também bom comportamento à fadiga, boa resistência química, baixa densidade, boa estabilidade dimensional (coeficiente de expansão térmica baixo) e boa resistência térmica, química e aos agentes ambientais. São idealmente aplicadas em estruturas sensíveis a deformações e a aumento de peso (ISIS 2006).
Apresentam como desvantagens a fraca resistência à abrasão, sensibilidade ao choque, quando em contacto com outros metais sofre corrosão do tipo galvânico e sofre ataque por parte do oxigénio quando submetido a temperaturas superiores a 400ºC (Silva 2013).
O processo de produção das fibras de carbono (C) é a pirólise controlada, resultando fibras que apresentam módulos de elasticidade muito variados, o que levou a criar uma classificação com base no mesmo (Rodrigues 2009):
- Padrão, 250 – 300 GPa; - Intermédia, 300 – 350 GPa; - Alta, 350 – 550 GPa; - Ultra-alta, 550 – 1000 GPa.
Os materiais compósitos de CFRP utilizados no reforço de estruturas existentes surgem nas seguintes formas: laminados, mantas, tecidos, varões, fios e cordões. Deste modo é possível aplicar estes materiais em diferentes tipos de reforço tais como, reforço à flexão de lajes, vigas e pilares, reforço ao corte de vigas e confinamento de pilares, através de distintas técnicas, como
ilustrado na Figura 2.6.
a) b)
c) d)
e)
Figura 2.6: a) reforço à flexão de uma laje; b) reforço à flexão de uma viga; c) reforço ao corte e confinamento de um pilar de betão; d) confinamento de um tanque de betão; e) reforço
ao corte de uma zona de nó viga/pilar (fib 2001)
Das soluções de material de reforço atrás mencionadas as mais utilizada no reforço à flexão são os compósitos em forma de laminado. Estes são o resultado do envolvimento de um conjunto de fibras por uma resina termo-endurecível, que posteriormente, são consolidadas através de um processo de pultrusão, cujo principal objetivo é controlar a espessura e a largura
do compósito. A espessura do laminado varia entre 1 mm e 2.4 mm, para aplicações correntes no reforço estrutural. As características mecânicas baseiam-se na área bruta da secção transversal da lâmina (Hutchinson and Hollaway 1999)
2.1.5 PROCESSO DE PRODUÇÃO
A pultrução é um processo contínuo que permite a produção de perfis retos com secção constante (Bakis et al. 2002; ISIS 2007). O processo inicia-se com a impregnação das fibras com resina, através de um dispositivo, normalmente denominado de banho. De seguida, as fibras impregnadas com resina passam através de uma forma de aço aquecida com as dimensões da secção transversal desejada, normalmente designada por fieira. A fieira de aço é previamente aquecida até a uma temperatura de cerca de 150 ºC, fazendo com que a resina reaja e cure. Quando o compósito sai da fieira este apresenta já um elevado estado de cura. O processo de produção está esquematicamente ilustrado na Figura 2.7(a). A resina deve ser altamente reativa para que a cura se realize no tempo estipulado. A velocidade do processo, a temperatura da forma e a reatividade da resina são os parâmetros que definem a qualidade do compósito, devendo ser balanceados de modo a obter um produto com as características desejadas. Normalmente, é adicionado um agente desmoldante às resinas. Este durante a cura migra até à superfície, prevenindo que o FRP cole à superfície da forma. Como o processo é de cura a temperaturas elevadas não há a necessidade da utilização de catalisadores (Hutchinson and Hollaway 1999).
Podem ser desenvolvidos laminados com variadas configurações. No entanto o processo de pultrução é usualmente utilizado para o desenvolvimento de reforços unidirecionais, uma vez que é o processo que oferece maiores valores de resistência e rigidez na direção axial do perfil, é o mais económico, mais rápido e eficiente (You et al., 2012).
Após todo este processo são produzidos laminados com cerca de 65% de volume de fibra com disposição unidirecional. Na Figura 2.7(b) apresenta-se um compósito CFRP com o aspeto convencional denominado de lâmina ou laminado, cuja disposição interna está ilustrada na Figura 2.7(c). Normalmente os laminados são produzidos com elevado comprimento, sendo posteriormente armazenados sob a forma de rolos (Figura 2.7(d)) (Hutchinson and Hollaway 1999).
(a)
(b) (c) (d)
Figura 2.7: (a) processo de fabrico de compósitos CFRP por pultrusão; (b) Aspeto final dos
laminados; (c) Disposição dos materiais constituintes dos laminados; (d) laminados armazenados em rolos. (Firmo 2010)
2.2 ADESIVOS
O principal propósito dos adesivos é assegurar uma colagem continua entre o FRP e a superfície de betão do elemento estrutural a reforçar. Esta colagem tem de assegurar uma boa transferência de tensões tangenciais entre as faces do betão e o laminado (Kang et al. 2012).O adesivo mais utilizado é o epóxi, que é o resultado de uma mistura de resina epóxi (polímero) com um endurecedor, podendo ou não conter outros aditivos.
Os epóxis representam uma classe de adesivos bastante importantes e estão disponíveis no mercado desde os anos 40 do século passado. Os adesivos de epóxi podem ser formulados em diversas formas proporcionando uma vasta gama de características práticas e propriedades mecânicas necessárias às diferentes aplicações (Hutchinson and Hollaway 1999). Foi demonstrado que um adesivo constituído por duas partes de epóxi e uma parte de endurecedor à base de poliamida é o que melhor se adequa nas diferentes aplicações de reforço de estruturas. Mays e Hutchinson (1988,1992) identificaram os principais requisitos de aderência das chapas metálicas à superfície de betão, requisitos esses que são similares à aplicação de compósitos no reforço de estruturas de BA.
Resumidamente, os requisitos são os seguintes (Hutchinson and Hollaway 1999): - Aderência adequada entre os materiais envolvidos (FRP/betão neste caso);
- Duas partes de resina epóxi para uma parte de endurecedor de base de poliamida de forma a apresentar uma boa resistência à humidade e à deformação;
- Temperatura de transição vítrea do adesivo (Tg) ronda os 60 ºC;
- Para uma temperatura igual a 20 ºC, o adesivo deve apresentar um módulo de elasticidade (E) compreendido entre 2-10 GPa e uma resistência mínima ao corte igual a 18 MPa;
- Apresentar uma boa trabalhabilidade, que permita preencher por completo as superfícies aplicadas, aplicações em superfícies na vertical e em superfícies voltadas para baixo;
- Não devem ser sensíveis a betões de natureza alcalina.
As formulações comerciais são, em geral, bastante complexas e envolvem diversos componentes. Um tipo de endurecedor é adicionado à resina, juntamente com fillers, plastificantes, diluentes, antioxidantes entre outros materiais (aditivos). A escolha do endurecedor depende do tipo de resina. O produto final pode ainda apresentar uma cura à temperatura ambiente ou a altas temperaturas, dependendo da finalidade do mesmo (Hutchinson and Hollaway 1999). A mistura da resina inicial com uma variedade de diferentes materiais potencia a existência de várias características finais do adesivo epóxi.
Uma desvantagem de uma resina resultante de muitos aditivos reside no facto do seu preço final ser bastante elevado. Por outro lado, este tipo de adesivos apresenta enumeras vantagens, nomeadamente (fib, 2001):
- Alta atividade superficial e boas propriedades de impregnação para várias bases; - Podem ser formulados de maneira a terem um grande open-time;
- Cura com alto esforço de coesão;
- Pode ser misturado com a inclusão de uma fase dispersa de borracha; - Baixa retração em comparação com poliésteres, acrílicos e vinis; - Baixa fluência;
- Pode ser fabricado com características tixotrópicas para aplicação em superfícies verticais; - Tem a capacidade de acomodar superfícies de colagem irregulares ou espessas.
2.2.1 PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
No momento da escolha do adesivo é imperativo avaliar as diferentes fases (mistura, aplicação e cura) bem como as propriedades no seu estado final, uma vez que ditarão as propriedades da ligação do reforço.
Cronologicamente as propriedades que os adesivos devem apresentar são (Hutchinson and Hollaway 1999):
- Componentes não misturados – tempo de validade;
- Mistura inicial – viscosidade, tempo de vida útil, wetting ability, joint open time; - Tempo de cura – rácio de desenvolvimento de força;
- Endurecido – características de força e tensão/extensão, resistência à fendilhação, temperatura, fadiga, fluência e à humidade.
O tempo de validade é o período de tempo em que os componentes podem ser armazenados sem sofrerem uma deterioração significativa. A maior parte dos materiais têm um tempo de validade máximo de um ano podendo estender-se caso o armazenamento dos componentes seja mantido a uma temperatura de 5 ºC.
A viscosidade dos adesivos depende da temperatura ambiente. Assim a variação de temperatura tem uma forte influência na trabalhabilidade, na qualidade de aplicação e na capacidade de humidificação das superfícies a aderir. A propriedade de tixótropia visa humedecer o substrato de BA durante o espalhamento do material. Em ambientes de temperaturas relativamente baixas, existem formulações epoxídicas com uma viscosidade de forma a se conseguir uma aplicação apropriada.
O tempo de vida útil de um adesivo (pot life) é o período de tempo disponível para a aplicação do adesivo após este ter sido formulado. A variação desta janela temporal é condicionada pela reatividade do próprio adesivo, do traço em volume da mistura e da temperatura ambiente. O tempo de aplicação aumenta para baixas temperaturas e encurta para altas. Denote-se que a reação química é exotérmica e uma grande parte do volume da mistura pode apresentar temperaturas bastante elevadas. Assim, devido a todos os condicionantes o tempo de vida útil disponível pode ter uma duração até 60 minutos.
O wetting ability é a capacidade “humidificante” num adesivo. É fundamental para se obter uma boa aderência entre substrato e o adesivo. Esta capacidade dos adesivos desaparece no fim do tempo de vida útil do mesmo.
O joint open time é o intervalo de tempo que tem início no momento de aplicação do adesivo ao substrato de betão e do FRP, representando o limite de tempo em que o FRP deve ser aplicado na superfície de betão, para que não haja perda de qualidade do adesivo escolhido. Este limite de tempo varia em função da própria reação de endurecimento e do ambiente envolvente. O tempo disponível para a aplicação do reforço é cerca de 30 minutos.
A taxa de força desenvolvida ao longo da cura é caracterizada pelo tempo de cura, o tipo de adesivo e a temperatura ambiente como foi dito anteriormente. A maioria das formulações epoxídicas de cura a frio precisa de 6 a 12 horas para se atingir um grau satisfatório de resistência, necessitando a cura total de cerca de 24 ou mais horas. As propriedades típicas dos adesivos epoxídicos de cura a frio podem ser encontradas na Tabela 2.2.
Tabela 2.2: Comparação das propriedades típicas dos adesivos epoxi, betão e aço macio.(fib 2001)
Propriedades (a 20ºC) Epóxi Betão Aço macio
Densidade (kg/m3) 1100-1700 2350 7800
Módulo de Young (GPa) 0,5-0,2 25-45 200-210
Módulo de distorção (GPa) 0,2-8 0,2 0,3
Coeficiente de Poisson 0,3-0,4 0,2 0,3
Resistência à tração (MPa) 9-30 1-5 200-600
Resistência ao corte (MPa) 10-30 2-5 200-600
Resistência à compressão (MPa) 55-110 25-150 200-600
Deformação na rotura por tração (%) 0,5-5 0,015 25
Energia de rotura aproximada (jm-2) 200-1000 100 105 - 106 Coeficiente de expansão térmica
(10−6/ºC) 25-100 11-13 10 - 15
Temperatura de transição vítrea (ºC) 45-80 - -
2.2.2 CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS
As propriedades do adesivo são normalmente consequência da sua estrutura interna. Uma comparação do comportamento das relações de tensão vs. extensão de diferentes formulações para os adesivos é apresentada na Figura 2.8.
Figura 2.8 Comparação de tensão vs. extensão de diferentes tipos de epóxi (Hutchinson and Hollaway 1999)
Os adesivos apresentam um módulo de elasticidade relativamente baixo que decresce com o aumento da temperatura. As variações de temperatura têm uma grande influência na rigidez dos materiais adesivos, verificando-se no facto de apresentarem elevada rigidez e resistência à temperatura ambiente e, para temperaturas próximas de 100 ºC, baixa rigidez e resistência.
A temperatura de transição vítrea (Tg) define uma mudança clara nas propriedades do polímero. Acima da temperatura Tg, o material apresenta um comportamento tipo “borracha”. Pelo contrário e para temperaturas inferiores a Tg, apresenta-se bem mais rígido com aspeto
vítreo (Figura 2.9) (ISIS 2007). Esta “barreira” depende da temperatura de cura do adesivo,
sendo que, para temperaturas de cura mais elevadas observa-se um Tg também mais elevado (Hutchinson and Hollaway 1999).
(a) (b)
Figura 2.9 Influência da transição vítrea (a) no volume; (b) na rigidez (Hutchinson and Hollaway 1999)
É necessário ter-se em conta o facto dos polímeros orgânicos absorverem humidade, refletindo-se numa plastificação do próprio adesivo, modifica assim a resposta à deformação mecânica diminuindo consideravelmente a sua rigidez. Conclui-se que a presença de água tem um efeito similar à temperatura na rigidez destes materiais. A influência destes fatores está ilustrado na Figura 2.10 (a), (b) e (c).
(a) (b)
(c)
Figura 2.10- a) Influência do aumento de temperatura na resistência ao corte de colas epoxídicas com e sem a presença de humidade; b) influência da presença de humidade na
resistência ao corte de uma cola epoxídica a uma temperatura constante de 20º C; c) influência da presença de humidade na resistência à tração em colas epoxídicas (Hutchinson
and Hollaway 1999)
O efeito das condições de cura no desenvolvimento das propriedades mecânicas do adesivo é um dos problemas menos investigados no reforço de estruturas com compósitos. Assim, a quantificação do efeito da temperatura de cura, da presença de humidade e da duração do desenvolvimento da resistência permitiria melhorar, significativamente, a preparação e a instalação nas diferentes aplicações do reforço. (Czaderski et al. 2012).
Foi verificado que, para temperaturas elevadas, os adesivos apresentavam um tempo de cura bastante menor. Lapique e Redford (2002), por exemplo, concluíram que as mesmas propriedades mecânicas obtidas a 23 ºC após 28 dias, podiam ser alcançadas em apenas 4 horas a uma temperatura de 64 ºC. As mesmas observações foram feitas por Matsui (1990) que concluiu que a duração mínima de cura para conseguir a máxima resistência de corte está intimamente relacionada com a temperatura de cura (Czaderski et al. 2012).
Foi também estudada a influência da temperatura de cura na resistência dos adesivos. Vários autores como Dutta and Musallam e Cao and Cameron observaram a temperaturas elevadas durante a cura do adesivo, um incremento de rigidez e resistência à tração comparativamente a adesivos curados à temperatura ambiente, (Czaderski et al. 2012).
O conhecimento destas propriedades do adesivo é de extrema importância uma vez que permitem o desenvolvimento de novas técnicas de aplicação, como é o caso das ancoragens por gradiente de esforços, que necessita de uma cura acelerada do adesivo (Michels, Sena-cruz, et al. 2013).
2.3 REQUISITOS PARA A COLAGEM DO LAMINADO
A escolha de um adesivo adequado é apenas um de vários requisitos para uma boa ligação. Outros fatores irão afetar a resistência da ligação e por conseguinte o desempenho de todo o sistema de reforço, nomeadamente (Barros 2004):
- Dimensionamento apropriado da ligação; - Preparação adequada das superfícies a ligar; - Controlo da preparação da ligação;
- Proteção devida a condições nocivas durante a aplicação do reforço; - Controlo de qualidade do trabalho realizado.
A utilização de uma ligação bem dimensionada e uma devida preparação da superfície de BA leva a um aumento da performance estrutural a curto e a longo prazo (Aiello and Leone 2008; Kang et al. 2012). Moustafa (1974), Hugenschmidt (1975) e Schultz (1976) concluíram que nos adesivos deve-se ter em conta a fraca resistência à delaminação e às forças de clivagem e não ao esforço de corte, uma vez que é improvável que seja um dos fatores limite. Concluíram ainda que nas estruturas de BA pelo contrário, a tensão de corte e a resistência ao arrancamento do betão de recobrimento, devem ser fatores críticos de dimensionamento (Hutchinson and Hollaway 1999).
2.4 TÉCNICAS DE REFORÇO
No âmbito do reforço à flexão de elementos de betão armado com laminados de CFRP, duas técnicas que têm sido amplamente aplicadas: a técnica EBR (Externally Bonded
Reinforcement), onde o laminado (normalmente de carbono) é colado nas faces exteriores do
elemento de BA e a técnica NSM (Near-Surface Mounted Reinforcement), em que os laminados são inseridos em rasgos efetuados no betão de recobrimento (Sena-Cruz et al., 2012). Na Figura 2.11 são também apresentados, dois sistemas baseados na técnica EBR, que consistem na incorporação de uma ligação mecânica, por aplicação de parafusos ao longo do laminado. As duas técnicas são bastante similares, com a particularidade de na técnica MF-EBR ser aplicada uma camada de adesivo, o que não acontece na técnica MF-FRP. Estas características deste tipo de reforços estão ilustradas na Figura 2.11 (Coelho, Silva, et al. 2011).
Figura 2.11 Técnicas de reforço com recurso a laminados de carbono (CFRP) (J. Sena-Cruz 2011)
2.4.1 SISTEMA NSM (NEAR-SURFACE MOUNTED)
O sistema de reforço NSM é proposto como um sistema que visa o aumento de capacidade de carga de elementos de BA. A técnica de aplicação de reforço consiste na inserção de varões ou laminados de CFRP em rasgos no recobrimento nominal de vigas/ lajes de BA realizados com uma serra convencional. Estes rasgos são previamente preenchidos com um
